ساخت دستگاه PCR با کمک فناوری میکروفلوئیدیک

منتشر شده در یکشنبه, 27 بهمن 1398 04:57

کمتر زیست‌شناسی را می‌توان سراغ داشت که با دستگاه “PCR” و واکنش زنجیره‌ای پلیمراز آشنایی نداشته باشد. اخیراً یک تیم پژوهشی در دانشگاه صنعتی شریف موفق به ساخت یک دستگاه “PCR” با کمک فناوری میکروفلوئیدیک شده است که امید آن می‌رود به زودی این دستگاه به مرحله تولید تجاری و انبوه برسد.

1. با عرض سلام و خسته نباشید خدمت شما استاد گرامی، لطفاً خودتان را معرفی کنید و شرح مختصری از زمینه کاری، مرتبه علمی و سایر مسئولیت‌های خود بفرمایید.

اینجانب امیر شاملو دانشیار دانشگاه صنعتی شریف می‌باشم. دوره کارشناسی و کارشناسی ارشد خود را در دانشگاه صنعتی شریف گذراندم و با پذیرش در دانشگاه استنفورد وارد مقطع دکتری در این دانشگاه شده و رساله دکتری خود را در زمینه مهندسی زیستی و گرایش میکرو و نانو مکانیک به پایان رساندم و در زمینه کاربرد دستگاه‌های میکروفلوئیدیک یا ساختارهای ریزسیال و کاربرد آن در پزشکی شخصی پژوهش‌های زیادی را انجام دادم که نتیجه آن چاپ مقالاتی در نشریات معتبر در این حیطه مانند نشریه science می‌باشد.

بعد از اتمام دوره دکتری به مدت یک سال در دانشگاه برکلی کالیفرنیا دوره پسادکتری را گذارندم. پس از پایان دوره ذکر شده  تصمیم گرفتم که تجربیات و دستاوردهای خود را به میهنم منتقل کنم تا این گرایش‌های نوین هرچه سریع‌تر در ایران نیز شکل بگیرد؛ از سال 1390 در دانشکده مکانیک دانشگاه صنعتی شریف مشغول به کار شدم و هم اکنون دانشیار دانشکده مهندسی مکانیک و عضو پژوهشکده زیست‌فناوری این دانشگاه می‌باشم.

برخی از پروژه‌هایی که در حیطه مهندسی زیستی انجام داده‌ام شامل مهندسی بافت و داربست‌های زیستی مصنوعی، ساخت دستگاه ریز سیال به منظور جداسازی سلول‌های بیماری‌زا، حوزه‌های محاسباتی از جمله بهینه‌سازی داروهای بیوتکنولوژی به منظور اثر بخشی بهینه دارو، پروژه‌های بافت بر روی تراشه و پزشکی شخصی جهت تعیین دوز داروهای مورد استعمال برای بیمار و ساخت تجهیزات پزشکی با رویکرد نوین از جمله دستگاه تکثیر ژن می‌باشد.

2. اخیرا مقاله علمی در‌خصوص طراحی و ساخت یک دستگاه ریزسیال تکثیر ژن توسط شما و همکارانتان منتشر گردیده است، ضمن معرفی سایر همکارانتان، لطفا توضیحاتی در‌خصوص ضرورت و هدف از انجام این کار بیان کنید.

“طراحی و ساخت دستگاه تکثیر ژن “PCR” حاصل تلاش سه ساله‌ی دانشجویان اینجانب آقایان مسعود مددالهی دانشجوی دکتری، عرفان قاضی میرسعید و علی آماده دانشجویان کارشناسی ارشد به همراه جمعی از دانشجویان کارشناسی و ارشد و همکاری آقای دکتر منوچهر وثوقی ریاست پژوهشکده‌ی زیست‌فناوری و محیط زیست می‌باشد.

هدف از انجام این طرح، طراحی و ساخت یک دستگاه تکثیر ژن بر اساس جدیدترین تحقیقات انجام‌شده در این زمینه می‌باشد. در این طرح پس از مطالعات فراوان نمونه‌های خارجی مشابه یک نمونه‌ی جدید از دستگاه تکثیر ژن با استفاده از سیستم‌های ریزسیال تولید و سپس بهینه‌سازی شده و کارایی آن با نمونه‌های خارجی مقایسه گردید. به اجرا رساندن چنین طرحی می‌تواند یک قدم بسیار مهم در راستای طراحی و ساخت دستگاهی باشد که با ترکیب سه فرآیند آماده‌سازی نمونه، تکثیر ژن و تشخیص نتیجه‌ی حاصله، مدت زمان و خطای تشخیص را به کمک سیستم‌های ریزسیالاتی کاهش می‌دهد.

3. لطفا در‌خصوص پیشینه فعالیت صورت گرفته در داخل و خارج از کشور توضیحاتی بفرمایید.

تکثیر ژن یک فرآیند بسیار پرکاربرد آزمایشگاهی است که علی‌ رغم قدمت فراوان آن هنوز مطالعات بسیار زیادی روی بهبود عملکرد آن در حال انجام است. در خارج از کشور شرکت‌های بزرگی با سرمایه‌گذاری بالا روی این موضوع در حال کار و تجاری سازی ایده‌ها هستند و در داخل کشور هم مطالعات در این راستا در حال انجام است.

4. به صورت کلی تکنیک واکنش زنجیره‌ای پلیمراز یا PCR چه کاربردی در حوزه بیوتکنولوژی دارد؟

فرآیند تکثیر ژن در بسیاری از زمینه‌ها مثل پزشکی به منظور تشخیص بیماری‌ها، کشاورزی، جرم‌شناسی و سایر موارد بسیار پرکاربرد است.

5. روش‌های متداول این تکنیک به چه صورتی است؟

به دلیل تفاوت­‌های ساختاری، تراشه­‌های “PCR” را می­‌توان به دو دسته ساکن یا میکرومخزن و دینامیک یا جریان پیوسته تقسیم نمود. در “PCR” نوع ساکن، سیستم بدون حرکت است و کل ریزتراشه تحت تغییر دمایی قرار می­‌گیرد. تراشه­‌های “PCR” نوع ساکن، همان مینیاتور شده سیکل حرارتی سنتی برای فرآیند تکثیر DNA است که سه نوع مختلف دارد: تک­ مخزنه، مخزن مجازی قطره و آرایه مخزن.

این در حالی است که در “PCR” نوع جریان پیوسته، جریان سیال از سه محدوده دمایی عبور می­‌کند. این سه محدوده دمایی مربوط به سه فرآیند تغییر ماهیت، اتصال و توسعه می­‌باشد و زمان کل واکنش، با توجه به سرعت و زمان سیال در هر منطقه دمایی تعیین می‌­شود. جریان سیال به تعداد مورد نیاز برای کامل شدن واکنش، از روی محدوده‌­های دمایی عبور می­‌کند.

تراشه­‌های “PCR” نوع جریان پیوسته را می­‌توان از دیدگاه سیالاتی به چهار دسته زیر تقسیم نمود: تراشه­‌های “PCR” مارپیچ، تراشه­‌های “PCR” حلقوی، تراشه‌های “PCR” با جریان نوسانی و تراشه­‌های “PCR” مداربسته. دستگاه ساخته شده در این پژوهش از نوع جریان پیوسته قطره پایه با ساختارهای حلقوی و مارپیچ است.

6. در این پژوهش یک دستگاه PCR جدید طراحی و ساخته شده است. لطفاً در خصوص این دستگاه و مزایای آن توضیحاتی بفرمایید.

دستگاه “PCR” به منظور تکثیر ژن مورد استفاده قرار می‌گیرد. دستگاه ساخته شده در این پژوهش دارای چندین مزیت است. در ساخت این دستگاه از یک روش جدید به منظور تولید دستگاه‌های میکروفلوئیدیک استفاده شده است که قابلیت تعمیم در تمامی دستگاه‌های دیگر ساخته شده توسط پژوهشگران در حوزه میکرو و نانو را دارد. مزیت این روش، تولید دستگاه‌های میکروفلوئیدیک با قابلیت تحمل فشارهای بسیار بالا است. در این دستگاه برای اولین بار اثر نانوذرات مورد بررسی قرار گرفت و نتایج آن با نتایج مفصل به دست آمده با دستگاه‌های تجاری مقایسه شده است.

نتایج حاکی از آن است که با استفاده از نانوذرات، دستگاه ساخته شده می‌تواند کارایی مشابه دستگاه‌های تجاری را همراه با کاهش زمان فرایند حاصل نماید. همچنین نشان داده شده است که نانوذرات می‌توانند تا 5 برابر (وحتی بیشتر) نتایج واکنش “PCR” را بهبود دهند.

در سیستم های تجاری “PCR”، سیال در ظرفی قرار داده می‌شود و دمای آن توسط دستگاه بالا و پایین می‌شود. در دستگاه “PCR” ساخته شده که از نوع جریان پیوسته است، بر خلاف سیستم‌های تجاری، سیال بر روی بخش‌هایی با دمای ثابت که دارای دمای مخصوص به فرآیند PCR هستند جریان پیدا می‌کنند و به دمای آن بخش‌ها می‌رسند. به این ترتیب سیال با عبور مکرر از بخش‌هایی با دمای مشخص سیکل‌های حرارتی “PCR” را طی می‌کند. از مزایای سیستم‌های “PCR” جریان پیوسته بودن دستگاه ساخته شده می‌توان به موارد زیر اشاره نمود:

•  هزینه‌ی ارزان‌تر: ساخت سطوحی با دمای ثابت به مراتب از یک سیستمی که مرتب دمای آن باید به طور کنترل شده تغییر یابد ارزان تر است.
• سیستم کنترلی ساده تر: به دلیل ثابت بودن دمای سطوح، سیستم کنترلی ساده‌تری برای کنترل دما نیاز است.
• تغییر سریع دما: به دلیل حجم کم سیال در میکروکانال‌ها تغییر دما به سرعت پس از رسیدن سیال به سطح دما ثابت رخ می دهد.

یکی دیگر از مزایای این طرح استفاده از سیستم قطره‌پایه برای تکثیر ژن است. در این دسته از سیستم‌های “PCR” ریز سیالاتی، سیال نمونه‌ی آزمایش به صورت قطره‌های کوچکی در یک سیال ثانویه، که معمولا نوعی روغن می‌باشد، در می‌آید. قطره‌ای نمودن سیال آزمایش مزایایی را به همراه دارد که از مهم‌ترین آن‌ها می‌توان به موارد زیر اشاره نمود:

• عدم تماس سیال نمونه با دیواره کانال و در نتیجه عدم تاثیر دیواره بر فرآیند “PCR”: در برخی موارد دیواره کانال مواد اولیه واکنش “PCR” را به خود جذب می‌کند و باعث از رده خارج شدن این مواد می‌شود. با کاهش تماس دیواره و قطره این مشکل کاهش می‌یابد.
•  عدم ورود آلودگی‌ها و مواد اضافه موجود بر روی دیواره‌ها به داخل سیال نمونه: در حین فرایند ساخت میکروکانال‌ها به طور معمول امکان وجود آلودگی‌هایی بر روی دیواره وجود دارد. در حالت قطره‌ای این آلودگی‌ها کمتر وارد سیال آزمایش می‌شوند.
• سرعت بالای واکنش به تغییر دما: به دلیل حجم کم سیال آزمایش در داخل کانال در حالت قطره پایه و با توجه به اینکه به طور معمول ظرفیت حرارتی سیال آزمایش که فاز آبی است از روغن بیشتر می‌باشد، قطره پایه بودن باعث افزایش سرعت تغییر دما می‌گردد.
• امکان اجرای روشهای “PCR” مختلف نظیر “Digital PCR”: در بعضی روش‌ها نیاز است تا سیال آزمایش به تعداد بسیار زیادی بخش کوچک‌تر تقسیم شود. انجام این کار با دست بسیار مشکل می‌باشد. اما در سیستم‌های قطره پایه به راحتی می‌توان سیال آزمایش را به صدها و یا هزاران قطره تقسیم نمود و فرایندی نظیر “Digital PCR” را به راحتی انجام داد.
•  کاهش نیاز به مواد اولیه‌ی واکنش: در حالت قطره پایه، قطره حجم کمتری از کانال را پر می‌کند و بیشتر حجم کانال‌ها با روغن پر‌ می‌شود. بنابراین میزان مواد اولیه‌ی مورد نیاز می‌تواند کاهش پیدا کند.

7. ضمن بیان نو‌آوری این تحقیق، روش انجام آزمایشات، آنالیزهای مربوطه و نتایج این تحقیق را به صورت مختصر بیان کنید.

همان‌طور که در سایر بخش‌ها نیز اشاره شده است، دستگاه “PCR” به منظور تکثیر ژن مورد استفاده قرار می‌گیرد. دستگاه ساخته شده در این پژوهش دارای چندین مزیت است. ژن در این دستگاه در قطرات فاز آبی در بستری از روغن قرار می‌گیرد و همین امر موجب می‌شود که محلول “PCR” با دیواره کانال کمترین تماس را داشته باشد و در نتیجه امکان آلوده شدن نمونه به حداقل می‌رسد. همچنین به دلیل حجم کوچک راکتورها (قطرات) تغییرات دمایی در آن‌ها بسیار سریع انجام می‌گیرد و همین امر سبب بهبود واکنش “PCR” می‌شود.

در ساخت این دستگاه از یک روش جدید به منظور تولید دستگاه‌های میکروفلوئیدیک استفاده شده است که قابلیت تعمیم در تمامی دستگاه‌های دیگر ساخته شده توسط پژوهشگران در حوزه میکرو و نانو را دارد. مزیت این روش، تولید دستگاه‌های میکروفلوئیدیک با قابلیت تحمل فشارهای بسیار بالا است. در این دستگاه برای اولین بار اثر نانوذرات الماس مورد بررسی قرار گرفت و نتایج آن با نتایج مفصل به دست آمده با دستگاه‌های تجاری مقایسه شده است. نتایج حاکی از آن است که با استفاده از نانوذرات الماس، دستگاه ساخته شده می‌تواند کارایی دستگاه‌های تجاری را با کاهش زمان فرایند حاصل نماید. همچنین نشان داده شده است که نانوذرات الماس می‌توانند تا 5 برابر (وحتی بیشتر) نتایج واکنش “PCR” را بهبود دهند.

8. تاثیر غلظت الماس بر عملکرد روش مذکور چگونه است؟

استفاده از نانوذرات الماس به منظور بهبود واکنش باعث افزایش بیش از 5 برابری نتایج در مقایسه با حالت عادی بدون نانوذرات است. همچنین اثرات این نانوذره با اثرات نانوذره اکسید تیتانیوم که قبلا در پژوهش­‌ها بیان شده است مقایسه گردید و نشان داده شد که قابلیت آن‌ها در تکثیر مشابه با یکدیگر است. در کنار این پدیده نشان داده شد که استفاده از نانوذرات الماس می‌­تواند تا حد زیادی پدیده پرایمر دایمر در فرآیند “PCR” را کاهش دهد.

9. کیفیت روش استفاده شده نسبت به نوع تجاری آن به چه شکل می‌باشد؟

در بخش آزمایش‌های تجربی روی غلظت نانوذرات، عملکرد دستگاه ساخته شده با دستگاه تجاری مقایسه گردید. دو حالت مورد بررسی قرار گرفته است؛ یک حالت محلول “PCR” بدون نانوذرات و یک حالت محلول “PCR” با استفاده از نانوذرات با غلظت 0.2 نانومولار. (این غلظت با توجه به آزمایش‌های قبلی در غلظت‌های مختلف استخراج شد به نحوی که بیش‌ترین تاثیر در عملکرد و کمترین مقدار ممکن از این نانوذرات را شامل شود.)

نتایج “PCR” بدون استفاده از نانوذرات، در دستگاه ساخته شده، دارای باندی مشخص اما همراه با پرایمر دایمر است در حالی که با استفاده از نانوذرات عملکرد دستگاه بسیار بهبود داده شده است به نحوی که نتایج قابل مقایسه با دستگاه تجاری است. از نظر زمانی نیز عملکرد دستگاه ساخته شده سریع‌تر از دستگاه تجاری بود.

10. نقش نهاد‌های دولتی و سیاست‌گذار در عملیاتی نمودن این نوع تحقیقات چگونه است؟ برنامه شما برای عملی کردن این طرح در مقیاس بزرگ‌تر چیست؟

مشتریان احتمالی این طرح را می‌توان به طور کلی تمام سازمان‌ها، شرکت‌ها و افرادی دانست که در زمینه‌ی تشخیص بیماری، استخراج و تکثیر ژن و زمینه‌های مشابه دیگر فعالیت دارند که در ادامه به صورت مشخص توضیحاتی در این زمینه ارائه خواهد شد:

• آزمایشگاه‌های تشخیص بیماری: همان‌گونه که در قسمت‌های قبل بیان گردید، مهم‌ترین کاربرد این پژوهش تشخیص میکروارگانیسم‌های بیماری‌زا به صورت قابل‌اطمینان می‌باشد. با توجه به اینکه تمامی مراحل یک آزمایش در این دستگاه به جز وارد کردن نمونه در دستگاه بدون نیاز به دخالت انسان انجام می‌شود و علاوه‌بر آن به دلیل سرعت و راندمان بالای تکثیر ژن در این دستگاه می‌توان انتظار داشت که در صورت بازاریابی مناسب این دستاورد مورد توجه بسیاری از آزمایشگاه‌های کشور قرار گیرد. این پژوهش می‌تواند در زمینه‌هایی مانند تشخیص بیماری‌های عفونی، بیماری‌های قلبی، سرطان، ناهنجاری‌های عصبی و از همه‌ مهم‌تر برای کاربردهای حساس که در آن‌ها نتایج باید در حداقل زمان ممکن به دست آید، برای بیشتر آزمایشگاه‌ها به کار آید.
• آزمایشگاه‌های تحقیقاتی: در صورت تولید انبوه این دستاورد پژوهشی می‌توان انتظار داشت که این طرح هزینه‌ی چندان زیادی نداشته باشد؛ بنابراین چنین طرحی می‌تواند در بسیاری از آزمایشگاه‌های تحقیقاتی که در آن‌ها استخراج و تکثیر ژن مدنظر است، مورداستفاده قرار گیرد. بازار هدف این طرح در این حالت تنها به آزمایشگاه‌های پزشکی محدود نشده و آزمایشگاه‌هایی که در زمینه‌ی دامپزشکی، گیاه‌شناسی، جانورشناسی، میکروبیولوژی و غیره می‌توانند بازار طرح پیشنهاد شده باشند.
• شرکت‌های استخراج و تکثیر ژن: با توجه به اینکه تولید دستگاه‌های مربوط به استخراج و تکثیر ژن در داخل کشور چندان زیاد نیست، در صورت قیمت مناسب طرح پیشنهادی می‌توان انتظار داشت که با توجه به مزایای ذکرشده، شرکت‌های واردکننده‌ی چنین تجهیزاتی در این زمینه سرمایه‌گذاری انجام دهند.

در صورت پشتیبانی مالی، این دستگاه قابلیت تجاری­‌سازی و تولید انبوه را دارد. واضح است که هزینه تمام شده در تولید انبوه، از هزینه دستگاه نمونه فعلی کمتر خواهد بود و در حال حاضر بر روی تجاری سازی این دستگاه مشغول فعالیت هستیم.

11. موانع و مشکلاتی که در این پروژه با آن مواجه بودید را بیان کنید.

در انجام این پژوهش موانع بسیار زیادی وجود داشت که مهم‌ترین آن‌ها عدم دسترسی به مواد اولیه مرغوب در داخل کشور و اجبار به استفاده از حداقل امکانات برای پیشبرد پروژه بوده است. در این راستا تلاش شد علی رغم نبود امکانات مطلوب، از حداقل ابزارهای موجود استفاده شود تا پروژه به سرانجام برسد.

12. لطفا نام سازمان یا نهاد‌هایی که پروژه شما را حمایت کردند، بیان کنید.

این پروژه با همکاری دانشگاه صنعتی شریف انجام شد و در ادامه امید داریم تا نهاد معاونت علمی ریاست جمهوری برای تجاری سازی این طرح حمایت لازم را مبذول دارد.

13. ضمن تشکر و قدردانی از وقتی که به ما اختصاص دادید، به‌عنوان بخش پایانی اگر صحبتی برای خوانندگان دارید بفرمایید.

به خاطر وقتی که به این پروژه و مصاحبه اختصاص دادید تشکر می‌کنم و امیدوارم پروژه‌های دانشجویان با هدف پیشرفت و توانمندسازی صنایع داخلی تعریف و انجام شوند. اگر روحیه خلاقیت و ابتکار را بین دانش‌آموزان و دانش‌آموختگان تقویت کنیم، مسلماً در چند سال آینده شاهد پیشرفت‌های بیشتری در کشور خواهیم بود.

حلقه مفقوده ما، چه در دوران دانشگاه و چه پیش از آن تقویت روحیه خلاقیت در قالب پروژه‌های کلاسی است و این‌که استاد در کلاس تنها سخنگو نباشد. باید اجازه بدهیم دانش‌آموزان و دانشجویان دستاوردهای خود را ارائه بدهند و تلاش کنیم تا ایشان در زمینه‌های نوین ورود پیدا نمایند.

 زیست فن

مقاله منبع

• نانوبیوتکنولوژی